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[转] 深度解读 - Windows 7核心图形架构细致分析  

2012-12-29 18:18:27|  分类: win32_d3d9 |  标签: |举报 |字号 订阅

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http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/ee921514.aspx

编辑:马志文

时间: 2009-12-29

如现在大家所想的那样, Windows7 其实是 Windows Vista 的改进版。 Windows 7 在 Windows Vista 的基础上进行了大量的完善工作,也加入了不少新特性。 Vista 与其上一代 XP 相比,提供了非常大的改进,然而一方面这些改进过于巨大,用户乃至相应软件厂商(如, DirectX 10 应用开发商)一时无法完全接受,另一方面,由于特性的不完全具备, Vista 的表现没有想象之中的那么好。到了 Windows 7 ,包括操作系统本身、软件厂商和用户都已经做好了准备,因此反响比 Vista 更好也就不难理解了。

图形界面一直是 Windows 系统的核心,而从 Windows Vista 开始, Windows 就开始将提供一个富图形化的桌面图形界面作为要目,不仅仅是因为 Vista 和 7 的桌面本身就是一个 3D 应用程序,而是因为 Vista 和 7 可以更好地发挥图形加速硬件的作用。从 Windows Vista 到 Windows7 ,操作系统与 GPU 的结合越来越紧密。

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虽然人们经常可以听到 Windows7 的大更新在于一个 DirectX 11.0 API ,然而对于 Windows 系统的图形架构来说,虽然 DirectX 也很重要,不过这还不是全部。一个图形架构包括了如何利用 GPU 加速各种各样的图形应用( 2D 、 3D 、打印等)、如何显示到最终显示设备上,以及包括设备检测、控制。 Window 7 在图形架构方面的更新主要有如下方面:

WDDM 1.1 :新的驱动模型
DirectX 11 :更新的 Direct3D 11 ,以及相关的新 Direct2D API
DXVA-HD :高清视频回放加速
显示设备连接和配置
色彩管理
高 DPI 输出和可读性
多 GPU 系统
联合显示适配器(又叫联合渲染)

下面,会就这些改进进行简单的介绍。

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Windows 7 核心图形架构

Windows 应用程序使用各种如 GDI ( Graphics Device Interface , 2D 时代系统的主要图形接口)、 Direct3D 、 OpenGL 这样的 API 和系统图形组件通信,而系统组件通过 WDDM ( Windows Display Driver Model ,又名 Longhorn Display Driver Model )与硬件交互,从 Vista 起, Windows 就采用了和 XP 使用的 XPDM 不同的新的驱动模型: WDDM ,使用的驱动模型在很大程度上决定了一个系统的图形特性。 Vista 使用的 WDDM 版本为 1.0 ,而 Windows7 使用的改进版本为 WDDM 1.1 。

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WDDM 1.1 带来的改动挺多的,下面我们先来看看 WDDM 1.0 相对 XPDM 的改动,也就是 Vista 相对 XP 的改动

  http://image3.it168.com/2009/9/25/90330b67-8ae6-420f-9762-2938daa50bb1.jpg
XPDM :非合成模型

 

http://image3.it168.com/2009/9/25/4abc911f-5fa1-4935-8d78-5d7043c5819b.jpg 
WDDM :合成模型

  在垂直同步之谜 XP/Vista 与 3D 性能测试中,笔者解释过 XP/Vista 的模型的不同之处,在 WDDM 模型下,所有的应用程序生成的显示画面最后会在 DWM ( Desktop Windows Manager ,桌面窗口管理器)内进行合成为单一的最后输出画面,因此获得了更好的显示效果(天生的所有程序垂直同步)、额外效果(缩略图、缩放)以及可以支持更大的左面,不过,原始的 WDDM 1.0 只是实现了这个大架构上的转换,细节上仍未够完美:

  http://image3.it168.com/2009/9/25/f8c5cbdb-2d16-4d3c-bfc4-2b83e0ffe189.jpg

在 Vista 下, GDI (绘制通常的 2D 窗口的 API ,此外还有很多其他图形操作使用 GDI )和 DirectX ( 3D 应用 API )具有着不同的处理方法: Direct3D 是硬件加速的,而 GDI 则不是( GDI 在 XPDM 时是硬件加速的),因此 Vista 用户在一些图形程序上会感到比 XP 慢;而且 GDI 应用程序先经过 CPU 软件处理到系统内存上,再传输到显卡驱动分配的 GDI 显存区域上(也在系统内存当中),再由 DWM 负责将画面合成输出到显示器

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Windows 7 当中, GDI 获得了硬件加速(这个见下面) —— 不过在混合使用 GDI 和 Direct3D API 的时候, GDI 仍然无法硬件加速,不过, GDI 直接输出到驱动的 GDI 显存区域,减少了一个步骤,同时降低了内存消耗(同时对混用的 Direct3D API 也有效);显然,混合食用 API 来进行图形编程并不是一个好主意(当然,同时使用 GDI 和 Direct3D 意味着这个是一个老的、窗口模式的 3D 应用程序,如 Windows 模式的老 3D 游戏)

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老的 WDDM 1.0 处理 GDI 应用程序就如前面说过的一样

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而在 Windows 7 WDDM 1.1 模型当中,单独的 GDI 将会通过 WDDM 与 GPU 进行硬件加速,同时经过 GDI 显存区域输出到 DWM ,表现在实际操作上,就是大部分窗口操作都变得比 Vista 更流畅,日常工作更快捷(大部分 2D 应用程序都使用了 GDI API ,因为 GDI 包括的内容太多,因此必须对其保持兼容;关于 GDI ,后面还有相关内容)

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Windows XP 的Direct3D/GDI驱动架构

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Windows Vista 核心图形架构,比起 XP 来要丰富了很多

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Windows 7 核心图形架构,老的 GDI/GDI+ 仍被单独支持,不过, Windows 7 提供了它们对应功能的新的实现方法相比 Vista 带的 DirectX 10 , Windows 7 自带了 DirectX 11 ,和 WDDM 1.0 到 1.1 的变化不同, DirectX 11 的版本号表示其变化更大一些。 Windows 7 DirectX 11 改变了以往的工作模式,将 Direct3D 10.1 升级到 Direct3D 11 ,同时将以前 Vista 无法硬件加速的 GDI/GDI+ 的工作重新划分、引入新的 Direct2D 和 DirectWrite API 来完成:

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以前的图形操作大部分由 Diredt3D 和 GDI/GDI+ 完成(此外还有一个 WIC——Windows Image Component ,管理扫描、打印和图形解码等工作),而在 Vista 当中, GDI 是无法硬件加速的 —— 因此 Vista 显得很慢,在 Windows 7 中, GDI 的工作除了通过 WDDM 模型的改变获得硬件加速之外,它们还按照面向的应用重新划分为 Direct2D ( 2D 加速)、 DirectWrite (文本处理)和 DXGI 1.1 (设备控制),这些新的 API 或者新分配到的 API 具有着硬件加速,例如, Direct2D 就实际上是通过 Direct3D 10 来完成加速:

Direct2D  
硬件加速的即时模式 2 维图形 API ,它在 2 维几何图形、位图和文本方面有着较高的性能和质量。 Direct2D API 是设计与 GDI 、 GDI+ 和 Direct3D 之间进行互操作的。

DirectWrite  
DirectWrite 提供高质量的文本呈现、具有独立分辨率的轮廓字体、完整的 Unicode 文本以及布局支持。在使用 Direct2D 的时候, DirectWrite 是硬件加速的。

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当系统不支持 Direct3D 10 的时候, Windows 7 会通过一个额外的 10Level9 软件层使用 D3D9 来完成工作,显然,为了最好的效率,你需要使用 Direct3D10 的显卡,因为 Windows 7 的 DWM 基于 Direct3D 10

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字体抗锯齿: DirectWrite 效果

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Direct3D 11

Windows 7 带的 Direct3D 11 是 D3D10 的超集,它的特点是可以同时支持运行在 Direct3D9 和 Direct3D10.1 硬件上,实际上, DirectX 11 会提供 Vista 的支持,而不是像 Direct 10 出来时那样,只支持 Vista 而无法兼容上一代系统,这导致了软件开发厂商们向 DirectX 10 转移的缓慢。 DirectX 11 支持多个硬件平台和多种操作系统的特性让其更容易被接受。同时 Direc3D 11 本身也具有这不少的改进,这一点会有专文讨论(计划中),这里先谈论 Windows 7 对整个图形操作的改进,通过更多地将 GDI/GDI+ 纳入 DirectX 体系获得硬件加速,图形界面的性能会越来越好(当然,这需要软件厂商们使用新的 Direct2D/DirectWrite 进行编写)。微软希望将所有的图形操作都构建在 DirectX 之上。

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通过 Vista 中缺失的 GDI 硬件加速纳入到 DirectX 体系中重新获得硬件加速,并且性能要更快;未来显卡厂商们将不再需要提供 GDI 加速

显示技术  

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Windows 7 支持一系列的显示技术,包括将数字输出作为原生输出(支持 HDMI 和 DisplayPort ,而老的 VGA 模拟输出被建议弃用), Windows 7 还原生支持更多的内容来源,如 Blu-Ray 、 JPEG-XR 、 HDR 图片等。

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Windows 7 使用默认的 sRGB 色彩空间作为所有设备都统一的工作流,但是精度提升到 30 位 —— 每一个色彩通道都增加了两位; Windows 7 最高支持 48 位的 scRGB 模式,高精度+扩展范围+高动态

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WDDM 1.1 要求驱动支持 BGRA  BGRA 是最快的色彩格式

显示设备连接和配置  

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 Windows 7 中,所有的应用程序都在一个统一的虚拟桌面中显示,这个虚拟桌面分辨率为 64Kx64K  65536x65536 

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虚拟桌面按照显示器分为不同的视图,每一个视图对应一个适配器;一个适配器并不意味着一块显卡,一块显卡连接多个显示器的时候,它就含有多个适配器,类似地, SLI 或者 CrossFireX 连接的单显示器就意味着其是一个单一的适配器(从 Vista 开始加入,叫做 Linked-Adapter 特性)

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不过,在 Vista 下,无法使用多块不同 GPU 厂商的显卡,而 Windows 7 则可以  

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在 LDA 配置下,程序界面在不同的输出中漫游基本上是透明的,叫做 Dynamic adapter switching 动态适配器切换

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在多显示器下, Windows 7 提供了一个新的全局快捷键功能: Win + P ,可以快速设置多显示器工作状态,这个快捷键本来是特地为了投影仪应用而设计

总的来说, Windows 7 的图形架构比起 Vista 来更加完善,应用也更加方便。最明显的就是 GDI API 的变迁了,现在 GDI 应用程序也获得了硬件加速,就如同 XP 下一样,比其 Vista 下只能处理器来进行处理,因此用户们可以感觉到日常应用会更加流畅。

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